WO2008009559A2 - Device and method for producing and/ or confining a plasma - Google Patents

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WO2008009559A2
WO2008009559A2 PCT/EP2007/056760 EP2007056760W WO2008009559A2 WO 2008009559 A2 WO2008009559 A2 WO 2008009559A2 EP 2007056760 W EP2007056760 W EP 2007056760W WO 2008009559 A2 WO2008009559 A2 WO 2008009559A2
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plasma
applicator
enclosure
wall
magnet
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PCT/EP2007/056760
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WO2008009559A9 (en
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Jacques Pelletier
Ana Lacoste
Stéphane BECHU
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Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
Universite Joseph Fourier - Grenoble 1
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Publication of WO2008009559A9 publication Critical patent/WO2008009559A9/en
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/32623—Mechanical discharge control means
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    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/3266—Magnetic control means
    • H01J37/32678—Electron cyclotron resonance

Definitions

  • the invention relates to a device for producing and / or confining a plasma, comprising an enclosure in the volume of which the plasma is produced or confined, said enclosure comprising a wall defining an envelope inside the enclosure and including the volume .
  • the invention also relates to a method for producing and / or confining a plasma.
  • the only charged particles that are lost for the plasma are: on the one hand, those trapped on field lines (mechanism 3) that cross material surfaces, and on the other hand those that arrive from the volume free magnetic field to the convergence regions of the magnetic field lines (mechanism 2), that is to say either to the magnetic poles (maximum magnetic intensity), or between two magnets of the same polarity (minimum magnetic intensity zero). These areas of convergence of the magnetic field lines are called "festoons" (or "cusps" in English).
  • the energetic electrons that produce plasma are insensitive to the self-sustaining electric field produced by the plasma space charge.
  • the electrons 6 oscillate between two mirror points M (where the intensity of the magnetic field is identical).
  • the mirror points M are located opposite two opposing magnetic poles of the magnets 3.
  • the electrons 6 oscillate between the points M while wrapping around a mean field line 5. Their trajectories remain inscribed between two lines of magnetic field. constant intensity.
  • the charged particles drift along or around the magnets, perpendicular to the plane which contains the vector of the magnetic field generated by the magnetic structure. It is for this reason that it is highly preferable to close the magnetic field structures (magnetron, ring, comb or track structures) in order to avoid the loss of charged particles at the ends of the magnetic fields. continuous magnetic structures.
  • the plasma was originally produced by electrons emitted by thermo-emissive filaments located inside the confinement structure and negatively polarized with respect to the enclosure and the magnetic structure. .
  • the plasma can also be produced in the enclosure or on its periphery by any appropriate means or method.
  • any type of plasma excitation is possible, regardless of the excitation frequency and the excitation mode (electron cyclotron resonance (or ECR), continuous discharge, continuous pulsed discharge, low frequency discharge BF, radio frequency discharge. RF, surface wave, inductive discharge, magnetron discharge, etc.). It is even possible to use the magnetic confinement structures to excite the plasma, either by application to the structure of a pulsed continuous or continuous negative voltage, a BF or RF voltage, or by the application of microwaves. for a distributed electron cyclotron resonance type excitation (RCED).
  • ECR electron cyclotron resonance
  • RCED distributed electron cyclotron resonance type excitation
  • One of the means for confining and producing large size plasmas maintained by HF fields is to distribute elementary sources in two or three dimensional networks. .
  • Microwave plasma sources distributed along a two-dimensional network make it possible to produce planar (or large left-hand) sources, whereas sources distributed along a three-dimensional network make it possible, by way of nonlimiting examples, to produce volumes of plasma, for example in a reactor of cylindrical or spherical geometry.
  • Examples of devices are disclosed in FR 2 797 372, FR 2 838 020, and FR 2 840 451.
  • FR 2 797 372 and FR 2 838 020 disclose devices for producing, at low pressure (from 10 ⁇ 2 to some pascal), planar or cylindrical plasmas from elementary sources maintained by microwaves to electron cyclotron resonance (ECR) .
  • ECR electron cyclotron resonance
  • FR 2 797 372 and FR 2 838 020 the magnetic field is produced by a permanent magnet (magnetic dipole) attached to the end of a coaxial microwave applicator. For this reason, these types of plasma are called multi-dipolar plasmas. In particular, and as shown in FIG.
  • FR 2 838 020 teaches to dispose of permanent magnets 3 to distance of the walls 1, with rods 4, to prevent the trajectories 6 electrons do not cut the walls 1 and therefore they are collected on these surfaces.
  • FIG. 1 shows that FR 2 838 020 proposes a satisfactory solution at the confinement of the plasma 10 since no field line 5 encounters a surface or a wall 1, thus avoiding direct losses of electrons on the walls.
  • the plasma 10 is preferentially produced on the cylindrical portion around the magnet 3, and not on the front face of the magnet, as is preferable in many applications;
  • the pressure range of this technique is limited to low pressures, typically the pascal (10 mtorr), because, at higher pressures, the plasma is then substantially produced on the rear face of the magnet 3, and not facing forward, side use.
  • the plasma production technique therefore remains limited to the low pressure domain;
  • FR 2 840 451 discloses a plasma source 10 plane where the microwaves are applied to the plasma by coaxial propagation applicators 9 ending in a cross section. Since these applicators 9 are generally distributed in a square array, these types of plasma 10 are called matrix plasmas. A priori, the pressure field covered (10-10 pascal 3) does not require a magnetic field, but FR 2840451 teaches the possibility of having a magnet 3 in the central core 11 of the applicator. In this case, the magnetic field lines 5 necessarily loop back on metal or dielectric walls 1 of the enclosure. In this case, the accelerated electrons at the ECR are all collected on the coaxial applicator 9, which is catastrophic in terms of the power budget of the plasma.
  • Containment plasma is ineffective, the magnet 3 serving only to provide the RCE conditions necessary to obtain the breakdown of the plasma 10 at low pressures (of the order of a pascal to a few tens of pascal).
  • No. 6,022,446 discloses a confinement device comprising, on one wall, magnets with radial magnetization, but in which the magnets are concentric with respect to one another. This structure requires the use of at least two rings of magnets, with a complicated magnetic configuration, and is very poorly suited to containment not having symmetry of revolution, and does not lend itself to the realization of networks bi or tri-dimensional.
  • the invention aims to solve at least one of the aforementioned drawbacks.
  • the invention also relates to a method for producing and / or confining a plasma according to claims 11 or 12.
  • the invention has many advantages.
  • the proposed invention can find very many applications, particularly in the field of surface treatments, such as etching, deposits (PACVD or PAPVD), ion implantation by plasma immersion, to name just a few examples.
  • Another advantage provided by the invention is the possibility of producing a confinement structure where the magnetic field lines are all located in the same half-space, hence an ideal confinement of the plasma in the low-pressure range.
  • the device advantageously does not include rods supporting the magnets towards the inside of the enclosure.
  • Another advantage provided by the invention is the scale extension of the confinement and the plasma production. Indeed, there is no theoretical or even technological limitation to increasing the number of applicators, either on a flat surface or on a non-planar surface, for example cylindrical. It is possible to supply microwave power as many applicators as desired by as many independent generators as necessary, with or without power splitting. Each applicator can be powered using a coaxial cable since the microwave power required for each applicator is relatively low, hence the high reliability of the overall device.
  • Another advantage is the ability to produce dense plasmas throughout the pressure range defined in the invention, from 10 ⁇ 2 pascal up to 10 3 pascal with the same applicator, and with a maximum coupling efficiency. Indeed, thanks to the invention, it is possible to maintain the plasma both in the regime of RCE (resonant coupling) in the non-ECR range, at higher pressure (collisional absorption coupling).
  • magnetic field strength lines B 0 completely surround the annular magnet so that that the microwaves can not radiate outside the area of the applicator without crossing an ECR coupling zone, hence an optimum coupling of the microwaves with a plasma at low and very low pressure.
  • FIGS. 1 and 2 already commented on, represent schematically assemblies according to the prior art
  • FIGS. 3A and 3B schematically represent two possible examples of two-dimensional networks
  • Figures 4A and 4B schematically represent respectively a sectional view and a front view of a possible embodiment of the invention
  • FIGS. 5A to 5C schematically represent sections of possible embodiments of an applicator according to the invention
  • FIGS. 7A and 7B schematically illustrate examples of possible embodiments of an annular magnet
  • Figures 7A and 7B schematically show respectively a sectional view and a front view of a possible embodiment of the invention comprising a soft iron material
  • FIG. 8 schematically represents a sectional view of a possible embodiment of the invention, in which the soft iron of FIGS. 7A and 7B is replaced on the inner and / or outer periphery by magnet rings of opposite polarization. so as to preferably maintain a symmetry with respect to the median plane of the magnet
  • Figure 9 shows an embodiment in which the annular magnet is located on the central core of the coaxial applicator instead of being located at the periphery of the coaxial applicator.
  • the device mainly comprises an enclosure 13 in the volume of which the plasma 10 is produced or confined.
  • the enclosure 13 comprises a wall 1 defining an envelope 15 inside the enclosure and encompassing the volume.
  • the "container" in the volume of which the plasma 10 is produced or confined is called “enclosure”, the same device being able to be divided into several enclosures, for example by internal partitions or additional walls separating the device.
  • the device comprises at least one annular magnet 30, centered on a normal 14 to the envelope.
  • the annular magnet 30 is of radial magnetization direction. It is further arranged near the wall 1 defining the envelope 15 supporting the normal 14, so that the direction of magnetization is substantially perpendicular to said normal 14 to the envelope 15.
  • annular magnet makes it possible to achieve a confinement of the plasma, without the trajectories 6 of the trapped electrons encountering a wall 1 of the enclosure.
  • the annular magnet mainly comprises a radial magnetization, but also a symmetry with respect to a plane parallel to the direction of radial magnetization, which may be called a median plane of the magnet.
  • the device further comprises at least one elementary source of plasma comprising a coaxial applicator 9 of microwaves.
  • the applicator 9 passes through the wall 1 of the enclosure and comprises a central core 11.
  • the annular magnet 30 is centered on the central core 11 of the applicator 9.
  • the annular magnet 30 with radial magnetization is placed around a free end 90 of the coaxial microwavable applicator.
  • only the magnetic field lines 5 in front of a median longitudinal plane 50 of the magnet 30 are located on the plasma side 10, as shown in FIGS. 4A and 4B.
  • the device of Figs. 4A and 4B in particular makes it possible to solve the difficulties of the prior art.
  • the plasma is effectively confined. It can be produced facing the applicator 9.
  • the magnetic field B 0 does not disturb the collisional absorption coupling, which takes over from the ECR when the pressure increases.
  • the configuration of the field lines of the permanent magnet 30 cause the latter to go from one pole to the opposite pole without ever crossing the median plane 50 of the magnet 30.
  • the coaxial applicator 9 comprises a dielectric material 7 disposed around the central core 11, at the wall 1 of the enclosure.
  • the dielectric material 7 can of course be disposed below the level of the wall, as shown in FIG. 5C, or above the wall 1. The material 7 is thus disposed over at least a part of the length of the wall. applicator 9.
  • a device according to the invention for producing a device for confining a plasma 10 of large dimensions, comprises, according to two- or three-dimensional networks, a plurality of annular magnets with radial magnetization, arranged on the periphery of the plasma 10.
  • the magnets are not concentric with each other, so that the magnetic field lines are looped on the opposite pole of the same magnet.
  • the field lines which do not cross the median plane of the magnet, do not cross any wall of the enclosure.
  • the magnets are external to each other, to form the aforementioned networks.
  • each bi or tri-dimensional network is for example rectangular or square, as shown in FIG. 3A, or hexagonal, as shown in FIG. 3B.
  • the device has a magnetic structure: on the one hand generating, by RCE (that is to say, capable of delivering the magnetic field of intensity Bo necessary to the ECR coupling), a plasma 10 essentially in the direction facing the applicators 9, and, secondly, allowing, according to the shape of the free end 90 of the applicator 9, operation in a wide range of pressures, either by ECR coupling of the microwave electric field with the electrons (resonant coupling) or, at higher pressure, by collisional absorption coupling, when the magnetic field becomes inoperative.
  • the magnets 30 distributed in two- or three-dimensional networks may all have the same direction of radial magnetization with respect to the walls 1 or to the applicators 9 that they surround, ie alternating directions.
  • the radial magnetization can be centripetal (see for example Figure 6B) for all or part of the magnets 30, and / or centrifugal (see for example Figure 6A) for all or part of the magnets 30.
  • annular magnets one magnet out of two, or every other row of magnets 30, by way of nonlimiting examples
  • microwaves can be supplied with microwaves by an applicator 9.
  • the annular magnet 30 is at least partially in contact with the wall 1 of the enclosure.
  • the magnet 30 can thus be embedded in the wall 1 of the enclosure to a median plane 50 of the magnet 30.
  • the free end 90 of the central core 11 is flush with the level of the wall of the pregnant.
  • the invention may have numerous variants with respect to the configuration proposed in FIGS. 4A and 4B. These variants concern in particular the position of the magnet 30 with respect to the coaxial applicator 9, and / or the shape of the free end 90 of the applicator.
  • Figure 5A shows that the magnet 30 can be fully embedded in the wall 1 of the enclosure.
  • the surfaces of the wall 1, the magnet 30, the dielectric material 7 and the central core 11 are at the same level.
  • FIG. 5B shows that the central core 11 can protrude from the level of the wall 1.
  • the dielectric material 7 can surround the central core 11 and cover the free end 90 of the applicator 9.
  • FIG. 5C shows that the free end 90 of the applicator may have a larger cross-section than the cross-section of the central core 11.
  • the internal diameter of the magnet 30 is greater than the external diameter of the the free end 90.
  • the magnets 30 may also be in contact only with the wall 1, or be slightly above the level of the wall 1, on supports.
  • the magnets 30 to Radial magnetization can also present various forms. As shown in Figures 4B and 6C, the annular magnet 30 may be circular. Figures 6A and 6B show that the magnet 30 can also be polygonal, such as square ( Figure 6A), hexagonal ( Figure 6B), octagonal, decagonal ... But the circular ring shape is by far the most common and the simplest to implement.
  • FIGS. 7A and 7B show that the magnet 30 has an inner periphery 31 and an outer periphery 32.
  • the magnet 30 is surrounded on its inner periphery 31 and / or outer 32 by a material with high magnetic permeability, for example in the form of rings 12 and / or 16.
  • the rings 12 and / or 16 are, for example, soft iron rings.
  • the material with high magnetic permeability makes it possible to adjust the configuration of the field lines at the magnetic poles of the magnet 30.
  • the magnet 30 is surrounded on its inner periphery 31 and / or outer 32 by magnet rings 120 and / or 160.
  • the magnet rings 120 and / or 160 have axial magnetization directions and not radial which allow to bring back the poles, and thus the field lines, above and below the upper and lower planes of the annular magnet 30.
  • FIG. 9 shows that, in the case where the central core 11 of the coaxial applicator is very wide, the annular magnet 30 (another example) can be located on said core instead of being located at outside the coaxial structure.
  • the microwave frequency used is not critical, and it is therefore possible to use one of the ISM frequencies such as 915 MHz or 2.45 GHz or 5.8 GHz.
  • the frequencies given by way of example are of course not limiting.

Abstract

The invention concerns a device for producing and/ or confining a plasma (10), comprising a recipient (13) within the volume of which the plasma is produced or confined, wherein said recipient comprises a wall (1) defining a lining (15) at the inside of the recipient and encompassing the volume, characterized in that it comprises at least one annular magnet (30), centered around a normal (14) with respect to the lining, having radial magnetization direction, such that the magnetization direction is significantly perpendicular to said normal to the lining. The invention also concerns a method for producing and/ or confining a plasma.

Description

Dispositif et procédé de production et/ou de confinement d'un plasma Device and method for producing and / or confining a plasma
DOMAINE GENERAL DE L'INVENTIONGENERAL FIELD OF THE INVENTION
L'invention concerne un dispositif de production et/ou de confinement d'un plasma, comportant une enceinte dans le volume de laquelle le plasma est produit ou confiné, ladite enceinte comprenant une paroi définissant une enveloppe intérieure à l'enceinte et englobant le volume. L'invention concerne également un procédé de production et/ou de confinement d'un plasma. ETAT DE L'ARTThe invention relates to a device for producing and / or confining a plasma, comprising an enclosure in the volume of which the plasma is produced or confined, said enclosure comprising a wall defining an envelope inside the enclosure and including the volume . The invention also relates to a method for producing and / or confining a plasma. STATE OF THE ART
Le confinement des plasmas dans un volume par des aimants permanents est utilisé depuis de nombreuses années de manière universelle, en raison de l'accroissement des performances qu'il permet en termes de densité et d'uniformité du plasma.The confinement of plasmas in a volume by permanent magnets has been used universally for many years, because of the increase in performance that it allows in terms of plasma density and uniformity.
Depuis 1974, la technique n'a pas évolué, puisque le confinement du plasma est réalisé de manière générale en plaçant à la périphérie du volume de confinement, à l'intérieur ou à l'extérieur des parois de l'enceinte, des aimants permanents présentant au plasma des polarités nord et sud alternées, d'où le nom de confinement magnétique multipolaire.Since 1974, the technique has not evolved, since the confinement of the plasma is generally carried out by placing at the periphery of the confinement volume, inside or outside the walls of the enclosure, permanent magnets. plasma with alternating north and south polarities, hence the name of multipolar magnetic confinement.
Dès 1975, une étude a été effectuée afin de déterminer le meilleur arrangement et la distance optimale entre aimants permanents. Cette étude a montré que c'était les structures continues en ligne, et non les structures en échiquier ou en ligne interrompue, qui procuraient le meilleur confinement. Par contre, la distance entre aimants, qui présente un maximum relativement plat, semble moins critique.As early as 1975, a study was carried out to determine the best arrangement and the optimal distance between permanent magnets. This study showed that continuous online structures, not chessboard or broken line structures, provided the best containment. On the other hand, the distance between magnets, which has a relatively flat maximum, seems less critical.
Enfin, en 1992, la meilleure connaissance des mécanismes de confinement magnétique multipolaire permit de proposer, pour améliorer l'efficacité du confinement, de refermer les structures magnétiques multipolaires sur elles-mêmes à la manière des structures "magnétron". Le principe du confinement multipolaire du plasma, et en particulier des électrons qui produisent le plasma, semble désormais bien connu. En effet, les particules chargées qui rentrent dans la région d'influence d'un champ magnétique multipolaire : 1 ) soit sont réfléchies par ce champ magnétique et sont renvoyées dans la région exempte de champ magnétique d'où elles étaient issues (mécanisme que l'on appellera « mécanisme 1 »);Finally, in 1992, the best knowledge of the multipole magnetic confinement mechanisms made it possible to propose, to improve the efficiency of the confinement, to close the multipolar magnetic structures on themselves in the manner of the "magnetron" structures. The principle of multipole confinement of the plasma, and in particular the electrons that produce the plasma, now seems well known. Indeed, the charged particles that enter the region of influence of a multipolar magnetic field: 1) are reflected by this magnetic field and are returned to the magnetic field-free region from which they originated (mechanism that we will call "mechanism 1");
2) soit franchissent en totalité la région de champ magnétique dans les régions où leur trajectoire est presque parallèle aux lignes de champ magnétiques, puisqu'il n'y a pas alors couplage entre la particule chargée et le champ magnétique (mécanisme que l'on appellera « mécanisme 2 »). C'est le cas des particules chargées qui arrivent de la zone sans champ magnétique, soit directement vers le pôle des aimants, soit directement dans la zone de champ magnétique d'intensité nulle située entre deux aimants de même polarité (cas des aimants unitaires alternés);2) either completely cross the magnetic field region in the regions where their trajectory is almost parallel to the magnetic field lines, since there is no coupling between the charged particle and the magnetic field (a mechanism that is will call "mechanism 2"). This is the case of charged particles arriving from the zone without a magnetic field, either directly to the pole of the magnets, or directly in the field of magnetic field of zero intensity located between two magnets of the same polarity (case of alternating unit magnets );
3) soit sont piégées dans le champ magnétique multipolaire par mécanisme collisionnel (mécanisme que l'on appellera « mécanisme 3 »).3) are trapped in the multipole magnetic field by collisional mechanism (a mechanism that will be called "mechanism 3").
Autrement dit, les seules particules chargées qui sont perdues pour le plasma sont : d'une part celles qui sont piégées sur des lignes de champ (mécanisme 3) qui traversent des surfaces matérielles, et d'autre part celles qui arrivent depuis le volume exempt de champ magnétique vers les régions de convergence des lignes de champ magnétique (mécanisme 2), c'est-à-dire soit aux pôles magnétiques (intensité magnétique maximale), soit entre deux aimants de même polarité (intensité magnétique minimale nulle). Ces zones de convergence des lignes de champ magnétique sont appelées "festons" (ou "cusps" en anglais).In other words, the only charged particles that are lost for the plasma are: on the one hand, those trapped on field lines (mechanism 3) that cross material surfaces, and on the other hand those that arrive from the volume free magnetic field to the convergence regions of the magnetic field lines (mechanism 2), that is to say either to the magnetic poles (maximum magnetic intensity), or between two magnets of the same polarity (minimum magnetic intensity zero). These areas of convergence of the magnetic field lines are called "festoons" (or "cusps" in English).
Les électrons énergiques qui produisent le plasma (dits électrons rapides ou primaires) sont peu sensibles au champ électrique autoconsistant produit par la charge d'espace du plasma. Une fois piégés dans le champ magnétique B0, comme le montre la Fig. 1 , dans l'intervalle entre deux collisions élastiques ou inélastiques, les électrons 6 oscillent entre deux points miroir M (où l'intensité du champ magnétique est identique). Les points miroir M sont situés face à deux pôles magnétiques opposés des aimants 3. Les électrons 6 oscillent entre les points M en s'enroulant autour d'une ligne de champ moyenne 5. Leurs trajectoires restent inscrites entre deux lignes de champ magnétique d'intensité constante.The energetic electrons that produce plasma (so-called fast or primary electrons) are insensitive to the self-sustaining electric field produced by the plasma space charge. Once trapped in the magnetic field B 0 , as shown in FIG. 1, in the interval between two elastic or inelastic collisions, the electrons 6 oscillate between two mirror points M (where the intensity of the magnetic field is identical). The mirror points M are located opposite two opposing magnetic poles of the magnets 3. The electrons 6 oscillate between the points M while wrapping around a mean field line 5. Their trajectories remain inscribed between two lines of magnetic field. constant intensity.
Contrairement aux électrons rapides précités - peu sensibles au champ électrique du plasma comme on l'a dit - , les ions et les électrons peu énergiques du plasma (dits électrons lents ou thermiques), qui oscillent, eux aussi, entre deux pôles magnétiques opposés, sont eux sensibles au champ électrique du plasma et diffusent dans le champ magnétique de façon collective, sous l'influence de ce champ électrique.Unlike the aforementioned fast electrons - insensitive to the electric field of the plasma as we have said - the ions and electrons of the plasma (so-called slow or thermal electrons), which oscillate, too, between two opposite magnetic poles, they are sensitive to the electric field of the plasma and diffuse in the magnetic field collectively, under the influence of this electric field.
Enfin, en dehors de ces mouvements d'oscillation et de diffusion, les particules chargées dérivent le long ou autour des aimants, perpendiculairement au plan qui contient le vecteur du champ magnétique généré par la structure magnétique. C'est pour cette raison qu'il est hautement préférable de refermer sur elles-mêmes les structures de champ magnétique (structures de type magnétron, en anneau, en peigne ou en piste) afin d'éviter les pertes de particules chargées aux extrémités des structures magnétiques continues.Finally, apart from these oscillation and diffusion motions, the charged particles drift along or around the magnets, perpendicular to the plane which contains the vector of the magnetic field generated by the magnetic structure. It is for this reason that it is highly preferable to close the magnetic field structures (magnetron, ring, comb or track structures) in order to avoid the loss of charged particles at the ends of the magnetic fields. continuous magnetic structures.
Dans les structures de confinement magnétique multipolaire, le plasma était produit à l'origine par des électrons émis par des filaments thermo- émissifs situés à l'intérieur de la structure de confinement et polarisés négativement par rapport à l'enceinte et à la structure magnétique.In multipole magnetic confinement structures, the plasma was originally produced by electrons emitted by thermo-emissive filaments located inside the confinement structure and negatively polarized with respect to the enclosure and the magnetic structure. .
En fait, le plasma peut aussi être produit dans l'enceinte ou à sa périphérie par tout moyen ou méthode appropriés. En fait, tout type d'excitation du plasma est envisageable, quelle que soit la fréquence d'excitation et le mode d'excitation (Résonance Cyclotronique Electronique (ou RCE), décharge continue, décharge continue puisée, décharge basse fréquence BF, décharge radiofréquence RF, onde de surface, décharge inductive, décharge magnétron, etc.). II est même possible d'utiliser les structures magnétiques de confinement pour exciter le plasma, soit par application à la structure d'une tension négative continue ou continue puisée, d'une tension BF ou RF, soit par l'application de micro-ondes pour une excitation de type résonance électronique cyclotronique distribuée (RCED).In fact, the plasma can also be produced in the enclosure or on its periphery by any appropriate means or method. In fact, any type of plasma excitation is possible, regardless of the excitation frequency and the excitation mode (electron cyclotron resonance (or ECR), continuous discharge, continuous pulsed discharge, low frequency discharge BF, radio frequency discharge. RF, surface wave, inductive discharge, magnetron discharge, etc.). It is even possible to use the magnetic confinement structures to excite the plasma, either by application to the structure of a pulsed continuous or continuous negative voltage, a BF or RF voltage, or by the application of microwaves. for a distributed electron cyclotron resonance type excitation (RCED).
Un des moyens pour confiner et produire des plasmas de grandes dimensions entretenus par champs HF, principalement dans la gamme des micro-ondes (typiquement au dessus de la centaine de MHz), est de distribuer des sources élémentaires selon des réseaux à deux ou trois dimensions.One of the means for confining and producing large size plasmas maintained by HF fields, mainly in the microwave range (typically above the hundred MHz), is to distribute elementary sources in two or three dimensional networks. .
Des sources de plasma micro-ondes distribuées selon un réseau bi- dimensionnel permettent de réaliser des sources planes (ou gauches de grandes dimensions), tandis que des sources distribuées selon un réseau tri-dimensionnel permettent, à titre d'exemples non limitatifs, de produire des volumes de plasma, par exemple dans un réacteur de géométrie cylindrique ou sphérique.Microwave plasma sources distributed along a two-dimensional network make it possible to produce planar (or large left-hand) sources, whereas sources distributed along a three-dimensional network make it possible, by way of nonlimiting examples, to produce volumes of plasma, for example in a reactor of cylindrical or spherical geometry.
Des exemples de dispositifs sont divulgués dans FR 2 797 372, FR 2 838 020, et FR 2 840 451.Examples of devices are disclosed in FR 2 797 372, FR 2 838 020, and FR 2 840 451.
FR 2 797 372 et FR 2 838 020 divulguent des dispositifs permettant de produire, à basse pression (de 10~2 à quelques pascal), des plasmas plans ou cylindriques à partir de sources élémentaires entretenues par microondes à la résonance cyclotronique électronique (RCE). La production du plasma par RCE requiert la présence d'un champ magnétique qui permet de définir des régions où la fréquence fo du champ électrique micro-onde appliqué est égale à la fréquence de giration des électrons dans le champ magnétique d'amplitude B0, soit fo = eBo/2πme (1) où me est la masse de l'électron.FR 2 797 372 and FR 2 838 020 disclose devices for producing, at low pressure (from 10 ~ 2 to some pascal), planar or cylindrical plasmas from elementary sources maintained by microwaves to electron cyclotron resonance (ECR) . The production of the plasma by RCE requires the presence of a magnetic field which makes it possible to define regions where the frequency fo of the applied microwave electric field is equal to the electron gyration frequency in the magnetic field of amplitude B 0 , let fo = eB o / 2πm e (1) where m e is the mass of the electron.
Dans FR 2 797 372 et FR 2 838 020, le champ magnétique est produit par un aimant permanent (dipôle magnétique) fixé à l'extrémité d'un applicateur micro-onde coaxial. Pour cette raison, ces types de plasma sont appelés plasmas multi-dipolaires. En particulier, et comme le montre la Fig.In FR 2 797 372 and FR 2 838 020, the magnetic field is produced by a permanent magnet (magnetic dipole) attached to the end of a coaxial microwave applicator. For this reason, these types of plasma are called multi-dipolar plasmas. In particular, and as shown in FIG.
1 , FR 2 838 020 enseigne de disposer des aimants permanents 3 à distance des parois 1 , grâce à des tiges 4, pour éviter que les trajectoires 6 des électrons ne coupent les parois 1 et donc qu'ils soient collectés sur ces surfaces.1, FR 2 838 020 teaches to dispose of permanent magnets 3 to distance of the walls 1, with rods 4, to prevent the trajectories 6 electrons do not cut the walls 1 and therefore they are collected on these surfaces.
La figure 1 montre que FR 2 838 020 propose une solution satisfaisante au niveau du confinement du plasma 10 puisque aucune ligne de champ 5 ne rencontre de surface ou une paroi 1 , évitant ainsi des pertes directes d'électrons sur les parois.FIG. 1 shows that FR 2 838 020 proposes a satisfactory solution at the confinement of the plasma 10 since no field line 5 encounters a surface or a wall 1, thus avoiding direct losses of electrons on the walls.
Par contre, la production de plasma par RCE, telle que décrite dans FR 2 797 372 et FR 2 838 020, présente des inconvénients majeurs en fonction des conditions opératoires des sources élémentaires, à savoir :On the other hand, the production of plasma by RCE, as described in FR 2 797 372 and FR 2 838 020, presents major drawbacks as a function of the operating conditions of the elementary sources, namely:
1 ) le plasma 10 est produit préférentiellement sur la partie cylindrique autour de l'aimant 3, et non pas sur la face avant de l'aimant, comme c'est préférable dans de nombreuses applications ;1) the plasma 10 is preferentially produced on the cylindrical portion around the magnet 3, and not on the front face of the magnet, as is preferable in many applications;
2) le domaine de pression de cette technique est limité aux basses pressions, typiquement au pascal (10 mtorr), car, aux pressions supérieures, le plasma est alors essentiellement produit sur la face arrière de l'aimant 3, et non face avant, côté utilisation. La technique de production de plasma reste donc limité au domaine des basses pressions ;2) the pressure range of this technique is limited to low pressures, typically the pascal (10 mtorr), because, at higher pressures, the plasma is then substantially produced on the rear face of the magnet 3, and not facing forward, side use. The plasma production technique therefore remains limited to the low pressure domain;
3) dans le cas d'une source de plasma non plane (réacteur cylindrique), le fait de mettre les aimants permanents à distance des parois réduit le volume utile de plasma dans le réacteur.3) in the case of a non-planar plasma source (cylindrical reactor), keeping the permanent magnets away from the walls reduces the useful volume of plasma in the reactor.
Comme le montre la Fig. 2, FR 2 840 451 divulgue quant à lui une source de plasma 10 plane où les micro-ondes sont appliquées au plasma par des applicateurs 9 de propagation coaxiaux se terminant selon une section droite. Ces applicateurs 9 étant généralement distribués selon un réseau carré, ces types de plasma 10 sont appelés des plasmas matriciels. A priori, le domaine de pression visé (10 à 103 pascal) ne requiert pas de champ magnétique, mais FR 2 840 451 enseigne la possibilité de disposer un aimant 3 dans l'âme centrale 11 de l'applicateur. Dans ce cas, les lignes 5 de champ magnétique se re-bouclent nécessairement sur des parois 1 métalliques ou diélectriques de l'enceinte. Dans ce cas, les électrons accélérés à la RCE sont tous collectés sur l'applicateur coaxial 9, ce qui est catastrophique sur le plan du bilan de puissance du plasma. Le confinement du plasma est inefficace, l'aimant 3 servant uniquement à fournir les conditions de RCE indispensables pour obtenir le claquage du plasma 10 aux basses pressions (de l'ordre de un pascal à quelques dizaines de pascal). US-A-6 022 446 divulgue un dispositif de confinement comportant, sur une paroi, des aimants à aimantation radiale, mais dans lequel les aimants sont concentriques les uns par rapport aux autres. Cette structure impose l'utilisation d'au moins deux couronnes d'aimants, avec une configuration magnétique compliquée, et est très mal adaptée à un confinement ne présentant pas de symétrie de révolution, et ne se prête pas à la réalisation de réseaux bi ou tri-dimensionnels. PRESENTATION DE L'INVENTIONAs shown in FIG. 2, FR 2 840 451 discloses a plasma source 10 plane where the microwaves are applied to the plasma by coaxial propagation applicators 9 ending in a cross section. Since these applicators 9 are generally distributed in a square array, these types of plasma 10 are called matrix plasmas. A priori, the pressure field covered (10-10 pascal 3) does not require a magnetic field, but FR 2840451 teaches the possibility of having a magnet 3 in the central core 11 of the applicator. In this case, the magnetic field lines 5 necessarily loop back on metal or dielectric walls 1 of the enclosure. In this case, the accelerated electrons at the ECR are all collected on the coaxial applicator 9, which is catastrophic in terms of the power budget of the plasma. Containment plasma is ineffective, the magnet 3 serving only to provide the RCE conditions necessary to obtain the breakdown of the plasma 10 at low pressures (of the order of a pascal to a few tens of pascal). No. 6,022,446 discloses a confinement device comprising, on one wall, magnets with radial magnetization, but in which the magnets are concentric with respect to one another. This structure requires the use of at least two rings of magnets, with a complicated magnetic configuration, and is very poorly suited to containment not having symmetry of revolution, and does not lend itself to the realization of networks bi or tri-dimensional. PRESENTATION OF THE INVENTION
L'invention a pour but de résoudre au moins un des inconvénients précités. A cet effet, on propose selon l'invention un dispositif de production et/ou de confinement d'un plasma selon la revendication 1.The invention aims to solve at least one of the aforementioned drawbacks. For this purpose, there is provided according to the invention a device for producing and / or confining a plasma according to claim 1.
L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques des revendications 2 à 10.The invention is advantageously completed by the features of claims 2 to 10.
L'invention concerne également un procédé de production et/ou de confinement d'un plasma selon les revendications 11 ou 12. L'invention présente de nombreux avantages.The invention also relates to a method for producing and / or confining a plasma according to claims 11 or 12. The invention has many advantages.
L'invention permet un confinement de plasmas denses de grandes dimensions, depuis les plus basses pressions (10~2 pascal ou moins) jusqu'à la dizaine de pascal (pression à laquelle le confinement magnétique devient inefficace). On peut ainsi opérer dans un large domaine de pression, soit avec un couplage RCE, soit avec un couplage par absorption collisionnelle lorsque le champ magnétique devient inopérant, c'est-à-dire lorsque la fréquence v de collisions élastiques des électrons devient grande devant la pulsation Co0 = 2 π f0 du champ électrique micro-onde (v » ωo), égale, à la RCE, à la pulsation électronique cyclotronique αt (ωo= αt). L'invention proposée peut trouver des applications très nombreuses, en particulier dans le domaine des traitements de surface, comme la gravure, les dépôts (PACVD ou PAPVD), l'implantation ionique par immersion plasma, pour ne citer que quelques exemples.The invention allows a confinement of dense plasmas of large dimensions, from the lowest pressures (10 ~ 2 pascal or less) up to the ten pascal (pressure at which the magnetic confinement becomes ineffective). It is thus possible to operate in a wide range of pressure, either with an ECR coupling or with a collisional absorption coupling when the magnetic field becomes inoperative, ie when the frequency v of elastic collisions of the electrons becomes large before the pulsation Co 0 = 2 π f 0 of the microwave electric field (v ω 0), equal to the ECR, the cyclotron electronic pulse αt (ωo = αt). The proposed invention can find very many applications, particularly in the field of surface treatments, such as etching, deposits (PACVD or PAPVD), ion implantation by plasma immersion, to name just a few examples.
L'invention permet la production de plasma dans le domaine de pression allant de 10~3 à quelques 103 pascal, c'est-à-dire de l'ordre de 10~5 à 10 torr (1 torr = 133 pascal) en vue d'applications :The invention allows the production of plasma in the pressure range from 10 ~ 3 to a few 3 pascal, that is to say of the order of 10 ~ 5 to 10 torr (1 torr = 133 pascal) in application view:
- aux traitements de surfaces (nettoyage, stérilisation, gravure, dépôt, implantation ionique, etc.),- surface treatments (cleaning, sterilization, etching, deposition, ion implantation, etc.),
- à la production d'espèces nouvelles (atomes, radicaux, métastables, espèces chargées, photons), - à la réalisation de sources d'ions pour toute application nécessitant des faisceaux d'ions (sources d'ions mono- ou multi-chargés), ainsi que- the production of new species (atoms, radicals, metastables, charged species, photons), - the production of ion sources for any application requiring ion beams (sources of mono- or multi-charged ions) ), as well as
- à tout domaine nécessitant la production, sur de grandes surfaces ou de grands volumes, de plasma uniforme.- any field requiring the production, over large areas or large volumes, of uniform plasma.
Un autre avantage apporté par l'invention est la possibilité de réaliser une structure de confinement où les lignes de champ magnétique sont toutes situées dans le même demi-espace, d'où un confinement idéal du plasma dans le domaine des basses pressions.Another advantage provided by the invention is the possibility of producing a confinement structure where the magnetic field lines are all located in the same half-space, hence an ideal confinement of the plasma in the low-pressure range.
En effet, avec ce type de configuration magnétique, les lignes de champ ne traversent jamais le plan médian de l'aimant et les zones RCE entourent généralement l'aimant, ce qui permet de pallier les inconvénients de l'état de l'art, à savoir :Indeed, with this type of magnetic configuration, the field lines never cross the median plane of the magnet and the ECR zones generally surround the magnet, which overcomes the disadvantages of the state of the art, to know :
1 ) les lignes de champ ne traversent aucune surface ou paroi, et donc les électrons piégés autour de ces lignes de champ restent bien confinés;1) the field lines do not cross any surface or wall, and thus the electrons trapped around these field lines remain well confined;
2) si l'aimant présente une aimantation suffisante, les conditions de RCE et les lignes de champ sont situées sur la face avant de la structure coaxiale, d'où une production du plasma vers le volume utile.2) If the magnet has sufficient magnetization, the ECR conditions and the field lines are located on the front face of the coaxial structure, hence a production of the plasma to the useful volume.
Il n'y a de plus aucune diminution du volume utile de plasma dans le réacteur, car le dispositif ne comporte avantageusement pas de tiges supportant les aimants vers l'intérieur de l'enceinte. Un autre avantage apporté par l'invention est l'extension d'échelle du confinement et de la production de plasma. En effet, il n'y a pas de limitation théorique, voire technologique, à augmenter le nombre d'applicateurs, soit sur une surface plane, soit sur une surface non plane, par exemple cylindrique. Il est possible d'alimenter en puissance micro-onde autant d'applicateurs que souhaités par autant de générateurs indépendants que nécessaires, avec ou sans division de puissance. Chaque applicateur peut être alimenté à l'aide d'un câble coaxial puisque la puissance micro-onde nécessaire à chaque applicateur est relativement faible, d'où la grande fiabilité du dispositif global.There is also no decrease in the useful volume of plasma in the reactor, because the device advantageously does not include rods supporting the magnets towards the inside of the enclosure. Another advantage provided by the invention is the scale extension of the confinement and the plasma production. Indeed, there is no theoretical or even technological limitation to increasing the number of applicators, either on a flat surface or on a non-planar surface, for example cylindrical. It is possible to supply microwave power as many applicators as desired by as many independent generators as necessary, with or without power splitting. Each applicator can be powered using a coaxial cable since the microwave power required for each applicator is relatively low, hence the high reliability of the overall device.
Un autre avantage est la possibilité de produire des plasmas denses dans toute la gamme de pression définie dans l'invention, depuis 10~2 pascal jusqu'à 103 pascal avec le même applicateur, et avec une efficacité de couplage maximum. En effet, grâce à l'invention, il est possible d'entretenir le plasma aussi bien dans le régime de RCE (couplage résonnant) que dans le domaine hors RCE, à plus haute pression (couplage par absorption collisionnelle).Another advantage is the ability to produce dense plasmas throughout the pressure range defined in the invention, from 10 ~ 2 pascal up to 10 3 pascal with the same applicator, and with a maximum coupling efficiency. Indeed, thanks to the invention, it is possible to maintain the plasma both in the regime of RCE (resonant coupling) in the non-ECR range, at higher pressure (collisional absorption coupling).
Un autre avantage est que, pour des aimants du commerce et des conditions opératoires conventionnelles (par exemple, une fréquence microonde fo = 2,45 GHz), les lignes d'intensité de champ magnétiques B0 entourent complètement l'aimant annulaire de telle sorte que les microondes ne peuvent pas rayonner en dehors de la zone de l'applicateur sans traverser une zone de couplage RCE, d'où un couplage optimum des micro- ondes avec un plasma à basse et très basse pression.Another advantage is that for commercial magnets and conventional operating conditions (e.g., a microwave frequency fo = 2.45 GHz), magnetic field strength lines B 0 completely surround the annular magnet so that that the microwaves can not radiate outside the area of the applicator without crossing an ECR coupling zone, hence an optimum coupling of the microwaves with a plasma at low and very low pressure.
Pour la RCE, il est possible d'utiliser des fréquences micro-ondes (5,8 GHz, 2,45 GHz, 920 MHz), mais aussi des fréquences plus basses (jusqu'à la centaine de MHz). Ainsi, la possibilité d'utiliser des fréquences bien plus basses que 2,45 GHz permet d'envisager, pour chaque source élémentaire, des alimentations unitaires par transistors de puissance. PRESENTATION DES FIGURESFor the RCE, it is possible to use microwave frequencies (5.8 GHz, 2.45 GHz, 920 MHz), but also lower frequencies (up to the hundred MHz). Thus, the possibility of using frequencies much lower than 2.45 GHz makes it possible to envisage, for each elementary source, unit power supplies by power transistors. PRESENTATION OF FIGURES
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : les figures 1 et 2, déjà commentées, représentent schématiquement des montages selon l'art antérieur; les figures 3A et 3B représente nt schématiquement deux exemples possibles de réseaux bi-dimensionnels; les figures 4A et 4B représe ntent schématiquement respectivement une vue en coupe et une vue de face d'un mode de réalisation possible de l'invention; les figure s 5A à 5C représentent schématiquement des coupe s de modes de réalisation possibles d'un applicateur selon l'invention; et les figures 6A à 6C représentent schématiquement des exemples de modes de réalisation possibles d'un aimant annulaire ; les figure s 7A et 7B représentent schématiquement respectivement une vue en coupe et une vue de face d'un mode de réalisation possible de l'invention comportant un matériau de fer doux ; la figure 8 représente schématiquement une vue en coupe d'un mode de réalisation possible de l'invention, dans lequel le fer doux des figures 7A et 7B est remplacé, sur la périphérie interne et/ou externe, par des anneaux aimants de polarisation opposée de manière à conserver de préférence une symétrie par rapport au plan médian de l'aimant ; la figure 9 montre un mode de réalisation dans lequel l'aimant annulaire est situé sur l'âme centrale de l'applicateur coaxial au lieu d'être situé en périphérie de l'applicateur coaxial.Other features, objects and advantages of the invention will emerge from the description which follows, which is purely illustrative and nonlimiting, and which should be read with reference to the accompanying drawings, in which: FIGS. 1 and 2, already commented on, represent schematically assemblies according to the prior art; FIGS. 3A and 3B schematically represent two possible examples of two-dimensional networks; Figures 4A and 4B schematically represent respectively a sectional view and a front view of a possible embodiment of the invention; FIGS. 5A to 5C schematically represent sections of possible embodiments of an applicator according to the invention; and Figs. 6A-6C schematically illustrate examples of possible embodiments of an annular magnet; Figures 7A and 7B schematically show respectively a sectional view and a front view of a possible embodiment of the invention comprising a soft iron material; FIG. 8 schematically represents a sectional view of a possible embodiment of the invention, in which the soft iron of FIGS. 7A and 7B is replaced on the inner and / or outer periphery by magnet rings of opposite polarization. so as to preferably maintain a symmetry with respect to the median plane of the magnet; Figure 9 shows an embodiment in which the annular magnet is located on the central core of the coaxial applicator instead of being located at the periphery of the coaxial applicator.
Dans toutes les figures, les éléments similaires portent des références numériques identiques. DESCRIPTION DETAILLEEIn all the figures, similar elements bear identical reference numerals. DETAILED DESCRIPTION
Afin de conférer à une structure magnétique multipolaire une grande efficacité de confinement et/ou de production pour les plasmas, on propose selon l'invention de faire en sorte que les trajectoires des particules chargées issues du plasma et piégées autour d'une ligne de champ magnétique ne rencontrent pas de parois (pertes par le mécanisme 3).In order to confer on a multipolar magnetic structure a high efficiency of confinement and / or production for plasmas, it is proposed according to the invention to ensure that the trajectories of the charged particles originating from the plasma and trapped around a field line magnetic do not encounter walls (losses by the mechanism 3).
Pour cela, il faut que les trajectoires des électrons piégés soient libres de tout obstacle entre deux points miroir M d'égale intensité de champ magnétique. On propose ainsi selon l'invention un dispositif de production et/ou de confinement d'un plasma 10, visible plus particulièrement aux figures 4A et 4B.For this, the trajectories of trapped electrons must be free of any obstacle between two mirror points M of equal magnetic field intensity. It is thus proposed according to the invention a device for producing and / or confining a plasma 10, visible more particularly in FIGS. 4A and 4B.
Le dispositif comporte principalement une enceinte 13 dans le volume de laquelle le plasma 10 est produit ou confiné.The device mainly comprises an enclosure 13 in the volume of which the plasma 10 is produced or confined.
L'enceinte 13 comprend une paroi 1 définissant une enveloppe 15 intérieure à l'enceinte et englobant le volume.The enclosure 13 comprises a wall 1 defining an envelope 15 inside the enclosure and encompassing the volume.
Dans la suite de la présente description, on appelle « enceinte » le récipient dans le volume duquel le plasma 10 est produit ou confiné, un même dispositif pouvant ainsi être divisé en plusieurs enceintes, par exemple par des cloisons internes ou des parois supplémentaires séparant le dispositif.In the remainder of the present description, the "container" in the volume of which the plasma 10 is produced or confined is called "enclosure", the same device being able to be divided into several enclosures, for example by internal partitions or additional walls separating the device.
Le dispositif comporte au moins un aimant annulaire 30, centré sur une normale 14 à l'enveloppe. L'aimant annulaire 30 est de direction d'aimantation radiale. Il est en outre arrangé à proximité de la paroi 1 définissant l'enveloppe 15 supportant la normale 14 , de sorte que la direction d'aimantation soit sensiblement perpendiculaire à ladite normale 14 à l'enveloppe 15.The device comprises at least one annular magnet 30, centered on a normal 14 to the envelope. The annular magnet 30 is of radial magnetization direction. It is further arranged near the wall 1 defining the envelope 15 supporting the normal 14, so that the direction of magnetization is substantially perpendicular to said normal 14 to the envelope 15.
Une telle configuration de l'aimant annulaire permet de réaliser un confinement du plasma, sans que les trajectoires 6 des électrons piégés ne rencontrent une paroi 1 de l'enceinte.Such a configuration of the annular magnet makes it possible to achieve a confinement of the plasma, without the trajectories 6 of the trapped electrons encountering a wall 1 of the enclosure.
D'une façon générale, l'aimant annulaire comporte principalement une aimantation radiale, mais aussi une symétrie par rapport à un plan parallèle à la direction d'aimantation radiale, que l'on pourra appeler un plan médian de l'aimant.In general, the annular magnet mainly comprises a radial magnetization, but also a symmetry with respect to a plane parallel to the direction of radial magnetization, which may be called a median plane of the magnet.
Pour réaliser une production de plasma 10 , le dispositif comporte en outre au moins une source élémentaire de plasma comportant un applicateur coaxial 9 de micro-ondes.To achieve a plasma production 10, the device further comprises at least one elementary source of plasma comprising a coaxial applicator 9 of microwaves.
L'applicateur 9 traverse la paroi 1 de l'enceinte et comprend une âme centrale 11.The applicator 9 passes through the wall 1 of the enclosure and comprises a central core 11.
L'aimant annulaire 30 est centré sur l'âme centrale 11 de l'applicateur 9. L'aimant annulaire 30 à aimantation radiale est placé autour d'une extrémité libre 90 de l'applicateur coaxial d'amenée des micro-ondes. Dans le cas de confinement et/ou de production, seules les lignes de champ magnétique 5 à l'avant d'un plan longitudinal médian 50 de l'aimant 30 sont situées côté plasma 10, comme le montrent les Fig. 4A et 4B.The annular magnet 30 is centered on the central core 11 of the applicator 9. The annular magnet 30 with radial magnetization is placed around a free end 90 of the coaxial microwavable applicator. In the case of confinement and / or production, only the magnetic field lines 5 in front of a median longitudinal plane 50 of the magnet 30 are located on the plasma side 10, as shown in FIGS. 4A and 4B.
En effet, le dispositif des Fig. 4A et 4B notamment permet de résoudre les difficultés de l'art antérieur. En effet, le plasma est confiné de manière efficace. Il peut être produit face à l'applicateur 9 . De plus, le champ magnétique B0 ne perturbe pas le couplage par absorption collisionnelle, qui prend le relais de la RCE lorsque la pression augmente. En effet, la configuration des lignes 5 de champ de l'aimant permanent 30 font que ces dernières vont d'un pôle au pôle opposé sans jamais traverser le plan médian 50 de l'aimant 30.Indeed, the device of Figs. 4A and 4B in particular makes it possible to solve the difficulties of the prior art. Indeed, the plasma is effectively confined. It can be produced facing the applicator 9. In addition, the magnetic field B 0 does not disturb the collisional absorption coupling, which takes over from the ECR when the pressure increases. Indeed, the configuration of the field lines of the permanent magnet 30 cause the latter to go from one pole to the opposite pole without ever crossing the median plane 50 of the magnet 30.
L'applicateur coaxial 9 comporte un matériau diélectrique 7 disposé autour de l'âme centrale 11 , au niveau de la paroi 1 de l'enceinte. Le matériau diélectrique 7 peut bien entendu être disposé au dessous du niveau de la paroi, comme indiqué sur la figure 5C, ou au-dessus de la paroi 1. Le matériau 7 est ainsi disposé sur une partie au moins de la longueur de l'applicateur 9.The coaxial applicator 9 comprises a dielectric material 7 disposed around the central core 11, at the wall 1 of the enclosure. The dielectric material 7 can of course be disposed below the level of the wall, as shown in FIG. 5C, or above the wall 1. The material 7 is thus disposed over at least a part of the length of the wall. applicator 9.
Un dispositif selon l'invention, pour réaliser un dispositif de confinement d'un plasma 10 de grandes dimensions, comporte, selon des réseaux bi- ou tri-dimensionnels, une pluralité d'aimants 30 annulaires à aimantation radiale, disposés à la périphérie du plasma 10.A device according to the invention, for producing a device for confining a plasma 10 of large dimensions, comprises, according to two- or three-dimensional networks, a plurality of annular magnets with radial magnetization, arranged on the periphery of the plasma 10.
Très préférentiellement, les aimants ne sont pas concentriques entre eux, de sorte que les lignes de champ magnétique se rebouclent sur le pôle opposé du même aimant. Ainsi les lignes de champ, qui ne traversent pas le plan médian de l'aimant, ne traversent aucune paroi de l'enceinte. En d'autres termes, les aimants sont externes les uns aux autres, pour former les réseaux précités.Very preferably, the magnets are not concentric with each other, so that the magnetic field lines are looped on the opposite pole of the same magnet. Thus the field lines, which do not cross the median plane of the magnet, do not cross any wall of the enclosure. In other words, the magnets are external to each other, to form the aforementioned networks.
Il peut également comporter une pluralité de sources élémentaires comportant chacune un applicateur 9. Chaque réseau bi ou tri dimensionnel est par exemple rectangulaire ou carré, comme le montre la figure 3A, ou hexagonal, comme le montre la Fig. 3B. Ainsi, pour des sources élémentaires distribuées selon des réseaux bi- ou tri-dimensionnels, le dispositif présente une structure magnétique : d'une part générant, par RCE (c'est-à-dire capable de délivrer le champ magnétique d'intensité Bo nécessaire au couplage RCE), un plasma 10 essentiellement dans la direction face aux applicateurs 9, et, d'autre part permettant, suivant la forme de l'extrémité libre 90 de l'applicateur 9, un fonctionnement dans un large domaine de pressions, soit par couplage RCE du champ électrique micro-onde avec les électrons (couplage résonnant), soit, à plus haute pression, par couplage par absorption collisionnelle, lorsque le champ magnétique devient inopérant.It may also comprise a plurality of elementary sources each comprising an applicator 9. Each bi or tri-dimensional network is for example rectangular or square, as shown in FIG. 3A, or hexagonal, as shown in FIG. 3B. Thus, for elementary sources distributed in two- or three-dimensional networks, the device has a magnetic structure: on the one hand generating, by RCE (that is to say, capable of delivering the magnetic field of intensity Bo necessary to the ECR coupling), a plasma 10 essentially in the direction facing the applicators 9, and, secondly, allowing, according to the shape of the free end 90 of the applicator 9, operation in a wide range of pressures, either by ECR coupling of the microwave electric field with the electrons (resonant coupling) or, at higher pressure, by collisional absorption coupling, when the magnetic field becomes inoperative.
Les aimants 30 distribués suivant des réseaux bi- ou tri-dimensionnels peuvent présenter tous le même sens d'aimantation radiale par rapport aux parois 1 ou aux applicateurs 9 qu'ils entourent, soit des sens alternés.The magnets 30 distributed in two- or three-dimensional networks may all have the same direction of radial magnetization with respect to the walls 1 or to the applicators 9 that they surround, ie alternating directions.
Autrement dit, l'aimantation radiale peut être centripète (voir par exemple figure 6B) pour tout ou partie des aimants 30 , et/ou centrifuge (voir par exemple figure 6A) pour tout ou partie des aimants 30.In other words, the radial magnetization can be centripetal (see for example Figure 6B) for all or part of the magnets 30, and / or centrifugal (see for example Figure 6A) for all or part of the magnets 30.
De même, seule une partie des aimants 30 annulaires (un aimant 30 sur deux, ou une rangée sur deux d'aimants 30 , à titre d'exemples non limitatifs) peuvent être alimentés en micro-ondes par un applicateur 9.Likewise, only a portion of the annular magnets (one magnet out of two, or every other row of magnets 30, by way of nonlimiting examples) can be supplied with microwaves by an applicator 9.
Comme le montre la figure 4A, l'aimant annulaire 30 est au moins partiellement en contact avec la paroi 1 de l'enceinte. L'aimant 30 peut ainsi être encastré dans la paroi 1 de l'enceinte jusqu'à un plan médian 50 de l'aimant 30. L'extrémité libre 90 de l'âme centrale 11 affleure avec le niveau de la paroi de l'enceinte.As shown in Figure 4A, the annular magnet 30 is at least partially in contact with the wall 1 of the enclosure. The magnet 30 can thus be embedded in the wall 1 of the enclosure to a median plane 50 of the magnet 30. The free end 90 of the central core 11 is flush with the level of the wall of the pregnant.
L'invention peut présenter de nombreuses variantes par rapport à la configuration proposée sur les Fig s. 4A et 4B. Ces variantes concernent notamment la position de l'aimant 30 par rapport à l'applicateur coaxial 9, et/ou la forme de l'extrémité libre 90 de l'applicateur.The invention may have numerous variants with respect to the configuration proposed in FIGS. 4A and 4B. These variants concern in particular the position of the magnet 30 with respect to the coaxial applicator 9, and / or the shape of the free end 90 of the applicator.
La figure 5A montre que l'aimant 30 peut être totalement encastré dans la paroi 1 de l'enceinte. Dans ce cas, les surfaces de la paroi 1 , de l'aimant 30, du matériau diélectrique 7 et de l'âme centrale 11 sont au même niveau.Figure 5A shows that the magnet 30 can be fully embedded in the wall 1 of the enclosure. In this case, the surfaces of the wall 1, the magnet 30, the dielectric material 7 and the central core 11 are at the same level.
La figure 5B montre que l'âme centrale 11 peut dépasser du niveau de la paroi 1. Dans ce cas également, le matériau 7 diélectrique peut entourer l'âme 11 centrale et recouvrir l'extrémité libre 90 de l'applicateur 9.FIG. 5B shows that the central core 11 can protrude from the level of the wall 1. In this case also, the dielectric material 7 can surround the central core 11 and cover the free end 90 of the applicator 9.
La figure 5C montre que l'extrémité libre 90 de l'applicateur peut avoir une section droite plus importante que la section droite de l'âme centrale 11. Dans ce cas, le diamètre interne de l'aimant 30 est supérieur au diamètre externe de l'extrémité libre 90. Les aimants 30 peuvent également être uniquement en contact avec la paroi 1 , ou être un peu au-dessus du niveau de la paroi 1 , sur des supports.FIG. 5C shows that the free end 90 of the applicator may have a larger cross-section than the cross-section of the central core 11. In this case, the internal diameter of the magnet 30 is greater than the external diameter of the the free end 90. The magnets 30 may also be in contact only with the wall 1, or be slightly above the level of the wall 1, on supports.
Ces variantes, présentées à titre d'exemples non limitatifs, permettent l'optimisation des sources de plasma élémentaires en fonction de l'application ou du procédé visés (simple confinement du plasma ou confinement et production de plasma, domaine de pression utile, etc.). En particulier, pour éviter, dans certaines conditions opératoires, le couplage du plasma dans la structure coaxiale, il est souvent préférable, comme on l'a vu, d'utiliser un applicateur rempli totalement ou partiellement de matériau diélectrique 7. Les aimants 30 à aimantation radiale peuvent aussi présenter des formes variées. Comme le montrent les figures 4B et 6C, l'aimant annulaire 30 peut être circulaire. Les figures 6A et 6B montrent que l'aimant 30 peut également être polygonal, comme carré (figure 6A), hexagonal (figure 6B), octogonal, décagonal... Mais la forme annulaire circulaire est de loin la plus commune et la plus simple à mettre en œuvre.These variants, presented as non-limiting examples, allow the optimization of elemental plasma sources depending on the application or process involved (simple confinement of plasma or confinement and plasma production, useful pressure range, etc.). ). In particular, in order to avoid, under certain operating conditions, the coupling of the plasma in the coaxial structure, it is often preferable, as we have seen, to use an applicator completely or partially filled with dielectric material 7. The magnets 30 to Radial magnetization can also present various forms. As shown in Figures 4B and 6C, the annular magnet 30 may be circular. Figures 6A and 6B show that the magnet 30 can also be polygonal, such as square (Figure 6A), hexagonal (Figure 6B), octagonal, decagonal ... But the circular ring shape is by far the most common and the simplest to implement.
Les figures 7A et 7B montrent que l'aimant 30 présente une périphérie interne 31 et une périphérie externe 32.FIGS. 7A and 7B show that the magnet 30 has an inner periphery 31 and an outer periphery 32.
Avantageusement, l'aimant 30 est entouré sur sa périphérie interne 31 et/ou externe 32 par un matériau à forte perméabilité magnétique, par exemple sous forme d'anneaux 12 et/ou 16. Les anneaux 12 et/ou 16 sont par exemple des anneaux de fer doux. Le matériau à forte perméabilité magnétique permet d'ajuster la configuration des lignes 5 de champ au niveau des pôles magnétiques de l'aimant 30. Comme le montrent la figure 8, avantageusement, l'aimant 30 est entouré sur sa périphérie interne 31 et/ou externe 32 par des anneaux aimants 120 et /ou 160. Les anneaux aimants 120 et/ou 160 ont des directions d'aimantation axiales et non pas radiales qui permettent de ramener les pôles, et donc les lignes de champ, au dessus et au dessous des plans supérieur et inférieur de l'aimant annulaire 30.Advantageously, the magnet 30 is surrounded on its inner periphery 31 and / or outer 32 by a material with high magnetic permeability, for example in the form of rings 12 and / or 16. The rings 12 and / or 16 are, for example, soft iron rings. The material with high magnetic permeability makes it possible to adjust the configuration of the field lines at the magnetic poles of the magnet 30. As shown in Figure 8, advantageously, the magnet 30 is surrounded on its inner periphery 31 and / or outer 32 by magnet rings 120 and / or 160. The magnet rings 120 and / or 160 have axial magnetization directions and not radial which allow to bring back the poles, and thus the field lines, above and below the upper and lower planes of the annular magnet 30.
De plus, la figure 9 montre que, dans le cas où l'âme centrale 11 de l'applicateur coaxial est très large, l'aimant annulaire 30 (autre exemple) peut être situé sur ladite âme au lieu d'être situé à l'extérieur de la structure coaxiale.In addition, FIG. 9 shows that, in the case where the central core 11 of the coaxial applicator is very wide, the annular magnet 30 (another example) can be located on said core instead of being located at outside the coaxial structure.
Bien entendu, le confinement et la production de plasmas très denses (au-delà de 1010 cm"3) nécessitent le refroidissement des structures magnétiques et coaxiales, par exemple par une circulation 17 d'un fluide caloporteur gazeux ou liquide. Avec la technologie décrite, il est possible de réaliser soit des sources planes de grandes dimensions, soit des sources et/ou enceintes cylindriques ou sphériques, suivant l'application visée.Of course, the confinement and the production of very dense plasmas (beyond 10 cm- 3 ) require the cooling of the magnetic and coaxial structures, for example by a circulation 17 of a gaseous or liquid coolant. described, it is possible to realize either large planar sources or sources and / or cylindrical or spherical enclosures, depending on the intended application.
La fréquence micro-onde utilisée n'est pas critique, et il est donc possible d'utiliser l'une des fréquences ISM comme le 915 MHz ou le 2,45 GHz, voire 5.8 GHz. Pour une excitation du plasma à la résonance cyclotronique électronique par des micro-ondes à 2,45 GHz, la condition de résonance (Bo=O, 0875 tesla) est facilement remplie par des aimants permanents conventionnels, comme en samarium-cobalt, voire en ferrite de baryum ou en ferrite de strontium. C'est encore plus le cas à 100, 200 ou 300 MHz, où le coût des transistors de puissance est bien plus faible qu'à 915 MHz ou 2,45 GHz. Les fréquences données à titre d'exemple ne sont bien entendu pas limitatives. The microwave frequency used is not critical, and it is therefore possible to use one of the ISM frequencies such as 915 MHz or 2.45 GHz or 5.8 GHz. For excitation of the plasma at electron cyclotron resonance by microwaves at 2.45 GHz, the resonance condition (Bo = 0.0875 tesla) is easily filled by conventional permanent magnets, such as samarium-cobalt, or even barium ferrite or strontium ferrite. This is even more the case at 100, 200 or 300 MHz, where the cost of the power transistors is much lower than at 915 MHz or 2.45 GHz. The frequencies given by way of example are of course not limiting.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de production et/ou de confinement d'un plasma (10), comportant - une enceinte (13) dans le volume de laquelle le plasma est produit ou confiné, ladite enceinte comprenant une paroi (1 ) définissant une enveloppe1. Apparatus for producing and / or confining a plasma (10), comprising - an enclosure (13) in the volume of which the plasma is produced or confined, said enclosure comprising a wall (1) defining an envelope
(15) intérieure à l'enceinte et englobant le volume,(15) inside the enclosure and encompassing the volume,
- au moins un aimant annulaire (30), centré sur une normale (14) à l'enveloppe, de direction d'aimantation radiale et arrangé à proximité de la paroi (1) définissant l'enveloppe supportant la normale, de sorte que la direction d'aimantation soit sensiblement perpendiculaire à ladite normale à l'enveloppe ; caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'aimants annulaires (30) arrangés au niveau de la paroi pour former un réseau bi-dimensionnel ou tri-dimensionnel.at least one annular magnet (30), centered on a normal (14) to the envelope, of radial magnetization direction and arranged close to the wall (1) defining the envelope supporting the normal, so that the magnetization direction is substantially perpendicular to said normal to the envelope; characterized in that it comprises a plurality of annular magnets (30) arranged at the wall to form a two-dimensional or three-dimensional network.
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le réseau est carré ou hexagonal.2. Device according to claim 1, wherein the grating is square or hexagonal.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, comportant en outre au moins une source élémentaire de plasma comportant un applicateur coaxial (9) de micro-ondes comprenant une âme centrale (11 ), l'applicateur (9) traversant la paroi (1 ) de l'enceinte, l'aimant annulaire (30) étant en outre centré sur l'âme centrale (11 ) de l'applicateur.3. Device according to one of claims 1 or 2, further comprising at least one elemental source of plasma having a coaxial applicator (9) microwave comprising a central core (11), the applicator (9) passing through the wall (1) of the enclosure, the annular magnet (30) being further centered on the central core (11) of the applicator.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'aimant annulaire (30) est au moins partiellement en contact avec la paroi de l'enceinte.4. Device according to one of claims 1 to 3, wherein the annular magnet (30) is at least partially in contact with the wall of the enclosure.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'applicateur coaxial comporte un matériau diélectrique (7) disposé autour de l'âme centrale (11 ), au moins sur une partie de la longueur de l'applicateur. 5. Device according to one of claims 1 to 4, wherein the coaxial applicator comprises a dielectric material (7) disposed around the central core (11), at least over a portion of the length of the applicator.
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'aimant annulaire (30) est circulaire ou polygonal.6. Device according to one of claims 1 to 5, wherein the annular magnet (30) is circular or polygonal.
7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel l'aimant annulaire (30) présente une périphérie interne (31 ) et une périphérie externe (32) , l'aimant étant entouré sur sa périphérie interne et/ou externe par un matériau à forte perméabilité magnétique.7. Device according to one of claims 1 to 6, wherein the annular magnet (30) has an inner periphery (31) and an outer periphery (32), the magnet being surrounded on its inner periphery and / or external by a material with high magnetic permeability.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel chaque aimant délivre un champ magnétique d'intensité suffisante pour permettre la production du plasma à basse pression par résonance cyclotronique électronique.8. Device according to one of claims 1 to 7, wherein each magnet delivers a magnetic field of sufficient intensity to allow the production of low pressure plasma electron cyclotron resonance.
9. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 8, dans lequel l'aimant annulaire (30) est disposé à l'extérieur de l'applicateur coaxial.9. Device according to one of claims 3 to 8, wherein the annular magnet (30) is disposed outside the coaxial applicator.
10. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 8, dans lequel l'aimant annulaire (30) est disposé sur l'âme centrale de l'applicateur coaxial.10. Device according to one of claims 3 to 8, wherein the annular magnet (30) is disposed on the central core of the coaxial applicator.
11. Procédé de production et/ou de confinement d'un plasma (10) dans une enceinte, ladite enceinte comprenant une paroi (1 ) définissant une enveloppe intérieure à l'enceinte et englobant un volume, comportant une étape consistant à - arranger au moins un aimant annulaire (30), centré sur une normale à ladite enveloppe, de direction d'aimantation radiale à proximité de la paroi11. A method for producing and / or confining a plasma (10) in an enclosure, said enclosure comprising a wall (1) defining an envelope inside the enclosure and enclosing a volume, comprising a step of arranging the at least one annular magnet (30), centered on a normal to said casing, of radial magnetization direction near the wall
(1) définissant l'enveloppe supportant la normale, de sorte que la direction d'aimantation soit sensiblement perpendiculaire à ladite normale à l'enveloppe ; caractérisé en ce qu'il comporte une étape consistant à arranger une pluralité d'aimants annulaires (30) au niveau de la paroi pour former un réseau bi-dimensionnel ou tri-dimensionnel. (1) defining the envelope supporting the normal, so that the direction of magnetization is substantially perpendicular to said normal to the envelope; characterized in that it comprises a step of arranging a plurality of annular magnets (30) at the wall to form a two-dimensional or three-dimensional network.
12. Procédé selon la revendication 11 , comportant en outre au moins une étape consistant à produire le plasma grâce à au moins une source élémentaire de plasma comportant un applicateur coaxial (9) de microondes comprenant une âme centrale (11 ), l'applicateur (9) traversant la paroi (1 ) de l'enceinte, l'aimant annulaire (30) étant en outre centré sur l'âme centrale (11 ) de l'applicateur. The method of claim 11, further comprising at least one step of producing the plasma by at least one elemental plasma source comprising a coaxial applicator (9) of microwaves comprising a central core (11), the applicator ( 9) passing through the wall (1) of the enclosure, the annular magnet (30) being further centered on the central core (11) of the applicator.
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